計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中的幾個(gè)泛系關(guān)系

1、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中的幾個(gè)泛系關(guān)系,蘭州大學(xué) 劉永兵 李永禮,引言——操作系統(tǒng)的復(fù)雜性,操作系統(tǒng)的復(fù)雜性對(duì)大家來(lái)說(shuō)不言而明的，就拿源碼開(kāi)放的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)說(shuō)，其源代碼包含在大約4500個(gè)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言文件中，這些文件存放在大約270個(gè)子目錄中。源代碼大約由200萬(wàn)行組成，占58M以上的空間。要弄清楚這個(gè)操作系統(tǒng)，一行一行的閱讀這200萬(wàn)行代碼似乎是行的同，但實(shí)際上卻是行不同的一個(gè)方法，如何在短時(shí)間內(nèi)抓住其中不同層次的主要

2、關(guān)系，就顯的非常必要，我嘗試用泛系思想方法來(lái)快速理解和掌握其中的關(guān)系，以下的報(bào)告是我用泛系思想研究Linux一些探索。,主要內(nèi)容,1.操作系統(tǒng)的泛系關(guān)系2.內(nèi)核數(shù)據(jù)的動(dòng)靜思想3.Linux文件系統(tǒng)的形影關(guān)系,1.操作系統(tǒng)自身的泛系關(guān)系,1.1原始社會(huì)供求關(guān)系模型,1.2現(xiàn)代供求關(guān)系模型,1.3操作系統(tǒng)的供求關(guān)系,1.4技術(shù)實(shí)現(xiàn),在操作系統(tǒng)供求關(guān)系的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上主要作兩個(gè)抽象：即任務(wù)抽象和資源抽象。通過(guò)資源抽象能把計(jì)算機(jī)中的軟硬件資源表

3、示出來(lái)；通過(guò)任務(wù)抽象能把系統(tǒng)中計(jì)算任務(wù)表示出來(lái)。,1.4.1任務(wù)抽象,任務(wù)抽象就是我們通常所說(shuō)的計(jì)算任務(wù)的抽象，抽象后的任務(wù)在一般教科書(shū)書(shū)中稱(chēng)之為進(jìn)程。在系統(tǒng)中用進(jìn)程控制塊（PCB）來(lái)描述。在Linux內(nèi)核中每一個(gè)進(jìn)程用task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示 。,1.4.2資源抽象,為了讓操作系統(tǒng)本身知道系統(tǒng)中的軟硬件資源，就需要把計(jì)算機(jī)中的各種軟件資源在操作系統(tǒng)中表示出來(lái)，這就是資源抽象。例如，就拿Linux內(nèi)存管理來(lái)說(shuō)，Linux在管理

4、內(nèi)存時(shí)，把系統(tǒng)中的內(nèi)存分了大小相等的塊，我們稱(chēng)之為頁(yè)，一般來(lái)說(shuō)這些頁(yè)的大小為4K，為了表示其中的頁(yè)，Linux使用了page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 。,1.4.3資源抽象和任務(wù)抽象之間的泛系關(guān)系,資源抽象和任務(wù)抽象的泛系關(guān)系就是供求關(guān)系，也就是說(shuō)操作系統(tǒng)的本質(zhì)便是要在資源抽象和任務(wù)抽象之間建立供求關(guān)系。通過(guò)操作系統(tǒng)的內(nèi)核溝通資源和任務(wù)，在這兩者之間充當(dāng)中間商。具體來(lái)說(shuō)就是由操作系統(tǒng)內(nèi)核決定分配當(dāng)前的哪些資源給哪些任務(wù)。,2.操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)管理控制策

5、略的泛系思想方法,——以少控多，以靜制動(dòng),2.1操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)管理控制上的兩難問(wèn)題,操作系統(tǒng)是一個(gè)典型的龐大復(fù)雜巨系統(tǒng)，就其內(nèi)核而言，單數(shù)據(jù)的數(shù)量之龐大就不言而諭的。再加上其自身是一個(gè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候數(shù)據(jù)的數(shù)量和值還會(huì)隨著系統(tǒng)處于不同的狀態(tài)而不同，可以說(shuō)是時(shí)時(shí)在變，這就給管理控制這些數(shù)據(jù)帶來(lái)了很多困難。,,如果給這些數(shù)據(jù)分配固定的空間，當(dāng)然在管理控制方面沒(méi)有什么太多的問(wèn)題，既然是事先分配的空間，就能直接的訪問(wèn)。這些數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間

6、中也不會(huì)互相干擾，數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)混亂的情況，但一個(gè)嚴(yán)重的后果是系統(tǒng)缺乏了伸縮和靈活性，事先分配的空間總是有限的，當(dāng)然內(nèi)核數(shù)據(jù)的量超過(guò)這個(gè)要求的時(shí)候，系統(tǒng)就沒(méi)辦法正常運(yùn)行，再說(shuō)在內(nèi)核數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候，會(huì)有很多事先分配的空間在這個(gè)時(shí)候沒(méi)有使用上，也是一種資源的浪費(fèi)。,,如果采用讓所有的數(shù)據(jù)都動(dòng)起來(lái)，即動(dòng)態(tài)的分配和使用，那么在這個(gè)時(shí)候以上說(shuō)的問(wèn)題就迎刃而解，但這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了另外一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，即給這些數(shù)據(jù)的管理控制帶來(lái)了麻煩，要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)在某

7、個(gè)時(shí)刻究竟在什么位置，怎樣保證在需要的時(shí)候能快速的找到想要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，這些問(wèn)題就顯得很棘手。,2.2內(nèi)核數(shù)據(jù)的管理控制策略,顯然,事先為所有的數(shù)據(jù)分配靜態(tài)的空間的策略是不可取的,那么我們只能使用按需要?jiǎng)討B(tài)分配空間的策略,接下來(lái)的問(wèn)題是我們?nèi)绻麃?lái)管理控制這些數(shù)據(jù),能隨時(shí)很方便的訪問(wèn)到想要訪問(wèn)的數(shù)據(jù).為了能找到解決問(wèn)題的辦法,我們自然而然的一的泛系思想是尋找泛對(duì)稱(chēng),也就是要從這千變?nèi)f化的數(shù)據(jù)中尋找中不變的東西.,,首先,內(nèi)核數(shù)據(jù)是可以分類(lèi)的

8、,例如系統(tǒng)中所有的進(jìn)程控制塊(PCB),可以認(rèn)為是同屬于一個(gè)類(lèi);其次,每在一類(lèi)數(shù)據(jù)中尋找不變的數(shù)據(jù),把這些數(shù)據(jù)做成靜態(tài)結(jié)構(gòu),在系統(tǒng)初始化的過(guò)程中分配固定空間,此后,在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中其位置不再發(fā)生變化,而其它數(shù)據(jù)則在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,需要的時(shí)候分配,用完就退回系統(tǒng),這些隨機(jī)的數(shù)據(jù)可以和這個(gè)類(lèi)中靜態(tài)分配的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái),在系統(tǒng)需要訪問(wèn)的時(shí)候可以通過(guò)這個(gè)類(lèi)中靜態(tài)的數(shù)據(jù)和它們的關(guān)聯(lián)關(guān)系很容易的找到.,2.3泛對(duì)稱(chēng)的顯生過(guò)程(以樹(shù)結(jié)構(gòu)為例),,以上

9、樹(shù)中的所有節(jié)點(diǎn)組成了一類(lèi)數(shù)據(jù),在樹(shù)的變化過(guò)程中,有的節(jié)點(diǎn)消失,又有新的節(jié)點(diǎn)生成。而在這個(gè)千邊萬(wàn)化的過(guò)程中，樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)始終沒(méi)有變化，這里就存在一個(gè)泛對(duì)稱(chēng)，根節(jié)點(diǎn)便是個(gè)泛極端。,,極端的情況是一類(lèi)中的所有數(shù)據(jù)都是動(dòng)態(tài)變化的,在這個(gè)時(shí)候我們可以仍然可以用同樣的方法分析。但這個(gè)時(shí)候引進(jìn)泛系規(guī)的思想。,,可以把根節(jié)點(diǎn)不變的所有數(shù)據(jù)看成一類(lèi)，而這個(gè)根節(jié)點(diǎn)就是這個(gè)類(lèi)的泛極端，在對(duì)所有的泛極端求共影，例如可以把它們共影到某個(gè)固定（靜態(tài)）的指針變量P。,

10、2.4Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)以少控多，以靜制多策略實(shí)例,,init_task是系統(tǒng)中的0號(hào)進(jìn)程，也就是第一個(gè)進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程永遠(yuǎn)不會(huì)被撤消，它的描述符被靜態(tài)的分配到內(nèi)核數(shù)據(jù)段中，也就是說(shuō)init_task的進(jìn)程描述符是預(yù)先由編譯器分配的，在運(yùn)行的過(guò)程中保持不變，而其它描述符是在運(yùn)行的過(guò)程中，由系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的內(nèi)存狀況隨機(jī)分配的，撤消的時(shí)再在歸還給系統(tǒng)。,2.5由該種策略下的內(nèi)存分配圖,,（1）   

11、0;   在0—4K之間存放加電自測(cè)期間檢查到的硬件配置。（2）       640K—1M之間被留作BIOS程序使用，并且映射ISA顯示卡上的存儲(chǔ)器（在早期的MS—DOS系統(tǒng)上有很有名的640K地址限制的說(shuō)法）。Linux操作系統(tǒng)被安裝在1M以后的內(nèi)存空間上，在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，操作系統(tǒng)被裝了上去，同時(shí)這部分建立了固定的映射，這里我們把它看作靜的，因?yàn)?/p>

12、一但初始化結(jié)束時(shí)，這部分的映射在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不再發(fā)生變化，這部分映射有：（1）        _text—_etext之間存放內(nèi)核代碼。（2）        _etext—_edata之間存放已初始化的內(nèi)核數(shù)據(jù)。（3）      

13、60; _edata—_end之間存放未初始化的內(nèi)核數(shù)據(jù)。在這里，_text是緊挨著1M后的內(nèi)存單元，_text,_etext,_edata,_end這些參數(shù)的值是在編譯內(nèi)核時(shí)產(chǎn)生的。,2.6內(nèi)核數(shù)據(jù)控制策略的再次泛系哲理思考,動(dòng)靜關(guān)系是泛系思想中的一個(gè)重要基本關(guān)系，在這里，我們用少量的靜態(tài)數(shù)據(jù)控制了大量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了我們高效利用存儲(chǔ)空間的目的。這就是以少控多，以靜制動(dòng)。,3.Linux文件系統(tǒng)的形影關(guān)系,,3.1形影關(guān)系的思想淵

14、源,x 1 2 3 4…在人們認(rèn)識(shí)和掌握代數(shù)學(xué)之前，人們做的運(yùn)算都是基于個(gè)體的具體的數(shù)字，但代數(shù)學(xué)使人們理解和掌握操作一類(lèi)事物。,,,,,,3.2泛系的形影關(guān)系,集論意義的形影關(guān)系包括函數(shù)，投影，影射，反函數(shù)，賦形（投影之逆），直集，商化（轉(zhuǎn)化為商集——子集的某些集合），積化（商化之逆），有時(shí)也包括縮影及其逆——擴(kuò)形以及泛積，并把形影關(guān)系的復(fù)合也看成形影關(guān)系。,3.3Linux

15、所支持的文件系統(tǒng),有Unix家族系統(tǒng)（Unix System V及BSD）的文件系統(tǒng)；有微軟公司的文件系統(tǒng)，如MS-DOS,VFAT(Windows 98)及NTFS(Windows NT)；有ISO9660 CD-ROM文件系統(tǒng)(以前的High Sierra文件系統(tǒng))；還有其它有專(zhuān)利權(quán)的文件系統(tǒng)，如HPFS(IBM公司的OS/2),HFS(蘋(píng)果公司的Macintosh),FFS(Amiga公司的快速文件系統(tǒng))以及ADFS(Acorn公

16、司的系列機(jī))。,3.4.1Linux文件系統(tǒng)的形影關(guān)系,在Linux文件系統(tǒng)為了要兼容各種操作系統(tǒng)下的文件系統(tǒng)，提出了“虛擬文件系統(tǒng)”VFS（Virtual Filesystem Switch）的概念。為了能做到兼容各種文件系統(tǒng)，Linux對(duì)各種文件系統(tǒng)作了極其美妙的抽象，在各個(gè)操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)上面又做了一層，這一層就是虛擬文件系統(tǒng)層。,,“虛擬文件系統(tǒng)”VFS 相當(dāng)于所有Linux所支持的具體的文件系統(tǒng)（EXT2文件系統(tǒng)，MS-DO